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水性石墨烯电热油墨——挂在墙上的“电暖画”


2019-09-18
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众所周知,石墨烯被称为“新材料之 王”。一些科学家甚至预测石墨烯将“彻底改变21世纪”。这正是因为石墨烯具有优异的导电性。由于其密度低,当与其他材料复合时,预计仅通过添加少量即可显著提高电导率,从而开发出具有优异电热转换性能的石墨烯电热功能涂层。

然而,石墨烯的发展和应用并不是一帆风顺的。例如,使用过程中的分散问题严重制约了石墨烯的性能,这也是制约石墨烯广泛应用的行业问题。

北京新材料与工业技术研究所依托其纳米材料应用的先进技术,从利用石墨烯优异的导电性和导热性的切入点出发,整合纳米分散技术和水性环保技术,解决纳米材料团聚影响实际应用性能的技术难题,终于开发出性能优异的水性电热墨水技术和产品,受到各界、媒体和人们的高度关注。

北京新材料与工业技术研究所新开发的水性油墨使用水作为溶剂,电加热油墨生产过程中不使用有机溶剂,不会造成环境污染问题。同时,产品绿色环保,使用过程中无有害物质排放。通过基础树脂的亲水化和基础材料的电晕处理,保证电热墨水在各种基础材料上优异的附着力和印刷适应性,从根本上弥补了使用寿命短、稳定性差、附着力差、流平性差等缺陷。

北京新材料与工业技术研究所技术负责人进一步指出,如果水性树脂和石墨烯分散不均匀,就会出现结构缺陷,形成混乱的导电网络,导电路径有限,降低导电性。为此,研究所专有的纳米分散技术使用了独特稳定的表面活性剂,通过化学处理和物理分散相的结合,解决了石墨烯在水性树脂中的团聚和分散性差的问题。

其次,在石墨烯和石墨烯之间添加炭黑和碳纳米管形成三维纳米结构层的方法,从根本上解决了石墨烯电热膜长期使用后再石墨化导致电加热转换功率衰减的大问题(见图1)。炭黑是粒状的,可以被视为零维纳米材料。碳纳米管呈棒状,属于一维纳米材料。石墨烯是一种典型的片状二维纳米材料。

这三种材料在我们研究所结合在一起形成了独特的三维碳纳米加热器。这些材料形成一个骨架网络,从简单的表面到表面的接触转变为点到点的接触、点到点的接触、线到表面的接触和表面到表面的接触,从而增加了路径和电阻的稳定性。在相互固定和限制的同时,为自由电子的进出创造了很大的空间,降低了石墨烯工作时的再石墨化效应,减轻了电导衰减,使产品的加热性能长期稳定。

新型水性电热墨水由水性树脂、碳纳米材料等制成。它具有低电阻、高附着力、环保、低成本等特点。由于水性石墨烯电热墨水无毒无害,安 全耐用,性能优异,可制成电热膜、电热垫、电热壁画、电热毯、电热理疗装置等相关产品,可广泛应用于室内取暖、工业保温、养殖、孵化、食用菌栽培等工业领域。例如,石墨烯电热转换膜、石墨烯远红外壁画等从研究所延伸出来的产品的技术成果与普通人的现实生活有着高度的一致性。谈到石墨烯电热转换膜、石墨烯远红外壁画、石墨烯远红外电热垫等产品的主要产品特点时,北京新材料与工业技术研究所的技术人员介绍说,石墨烯电热墨水印刷在表面处理过的聚酯薄膜上,制成石墨烯电热转换膜,然后制成各种创新产品。通电后,升温速度快,可在1分钟内达到并稳定预定温度。电热转换效率高达98,电热辐射转换效率为68,节能效率高。本实用新型使用寿命长,可与建筑物使用寿命相同,热量均匀,功率衰减小于1,电热膜表面温度不均匀,低于2℃..与普通产品相比,具有使用寿命长、省电、安 全可靠的优点。石墨烯电热墨水固化后可以产生波长在5-20毫米范围内的远红外辐射,具有保健作用。热量辐射到空间,自下而上传导热量,自然均匀地提高室内温度,以凉爽的头和温暖的脚达到人体上佳的热舒 适性。同时,不会出现传统电加热产品局部过热或不加热以及长期使用后干燥不舒服的问题。可以看出,该水性石墨烯电热墨水集成了研究所在纳米制造、纳米分散、纳米材料复合研究等领域的多项专利和专有技术,对后续产品的性能至关重要。研究所提到的制备水基石墨烯电热墨水的核心技术具有分散稳定性好、导电机理高、附着力强等特点,这也很好地反映在产品中。

据北京新材料与工业技术研究所称,该研究所的项目技术现已非常成熟,不存在新技术开发的未知风险。同时,为响应国家节能环保政策,我们采用了先进的纳米技术和纳米材料,建成了石墨烯电热墨水和电热膜的完整生产线。我们可以开发出满足市场需求的高品质产品,并很快投放市场,积极应用于建筑供暖、农业种植、工业保温、家居生活等诸多领域。

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